溫室中無線執(zhí)行器節(jié)點的設計

0 引言

溫室監(jiān)控系統(tǒng)建立的最終目的是為了獲取溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控溫室的正常運行，并通過分析數(shù)據(jù)得到作物生長與環(huán)境變化的規(guī)律。傳統(tǒng)的多點環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)一般都是通過有線通信(如RS-485 總線)的方式把環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心的。有線通信的一個無法回避的問題是需要布線，它使系統(tǒng)的設計、安裝及維護等的復雜度大幅提高，同時使系統(tǒng)的成本也大大增加，而且如果某一節(jié)點損壞有可能導致整個通信網(wǎng)絡癱瘓。由于溫室大棚占地面積大，采用傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)除了通信設備之間的物理線路連接還需要供電線路的支持。而采用無線技術(shù)后，系統(tǒng)精簡了通信和供電線路的鋪設，方便了系統(tǒng)的維護和擴展，對提高溫室的生產(chǎn)管理水平具有重要的意義。對于本設計而言，采用無線通信技術(shù)可以有效的解決采用有線通信所存在的問題，而且具有成本更低、不需要布線、可以任意增加或減少測量節(jié)點、維護方便等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)組成及工作過程

無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)由無線測量節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點、匯聚節(jié)點和后臺管理系統(tǒng)三層組成，如圖1 所示。測量節(jié)點采集數(shù)據(jù)并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給后臺管理系統(tǒng)。測量節(jié)點由51 兼容的射頻SoC 芯片nRF9E5 來實現(xiàn);執(zhí)行器節(jié)點采用基于ARM®CortexTM-M3 的微控制器LMS3S1968 和無線收發(fā)器nRF905 組成;匯聚節(jié)點采用處理能力更強的ARM9 和無線收發(fā)器nRF905 組成。

溫室中，大量的測量節(jié)點采用分散布撒的方式擺放于溫室中，負責采集監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境信息，并通過多跳的傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點既負責數(shù)據(jù)的收集上傳，又系統(tǒng)中各個節(jié)點發(fā)送控制命令，還要通過Internet 網(wǎng)絡與后臺管理系統(tǒng)進行通信，由后臺管理系統(tǒng)控制溫室的環(huán)境參數(shù)和傳感器節(jié)點的管理。各個溫室內(nèi)的節(jié)點相互獨立，某個溫室中的某個節(jié)點出現(xiàn)故障不會影響到其他節(jié)點的正常工作。

2 主要器件介紹

2.1 基于ARM Cortex-M3 的LM3S1968 微控制器

LM3S1968是Texas Instruments 公司生產(chǎn)的Stellaris®系列、基于ARM®Cortex™-M3的微控制器。該Stellaris®系列芯片能夠提供高效的性能、廣泛的集成功能以及按照要求定位的選擇，適用于各種關注成本并明確要求具有的過程控制以及連接能力的應用方案。

LM3S1968 微控制器是針對工業(yè)應用方案而設計的，包括遠程監(jiān)控、電子販售機、測試和測量設備、網(wǎng)絡設備和交換機、工廠自動化、HVAC 和建筑控制、游戲設備、運動控制、醫(yī)療器械、以及火警安防。其主要特性有32 位RISC 性能、采用與Thumb®兼容的Thumb-2 指令集以獲取更高的代碼密度、高達256KB 的單周期Flash 和64KB 的單周期SRAM、4 個通用定時器模塊、2 個SSI 模塊、2 個I2C 模塊、采樣速率為1000000 次/秒的8通道10 位A/D 轉(zhuǎn)換、3 個獨立集成的模擬比較、3 個 PWM 發(fā)生器模塊、2 個QEI 模塊、多達52 個GPIO、片內(nèi)低壓差穩(wěn)壓器等。